大棚自动官喷灌系统的设计

1、i摘 要未来几十年，在世界范围内，水资源的矛盾将日趋紧张。我国的水资源严重短缺，且分布很不平衡。农业用水占总用水的 80%。在农业灌溉中推广自动化控制，不仅可以缓解水资源严重短缺的矛盾，同时可以提高农作物的产量，降低农产品的成本。本文介绍一种系统，它用于大棚、花窖、房间喷水、消毒的自动及人工控制,实现大棚喷水消毒系统。该系统通过对房间湿度采集并计算判断湿度是否符合该房间植物生长的标准，并根据需要及时进行喷水。同时为了防御病虫害，也具备定时喷洒农药和消毒溶液的功能；由于不同植物的不同特性，本系统还能对液体（包括水，药液）的流量、流速进行控制，以适应喷洒更均匀、有效。本系统采用多机串行通信方法，实

2、现任一点到点或点到多点的通信，使管理人员可以使用一台 ibm-pc 机控制其它点的工作。关键词：关键词：rs-422 单片机 串行通信iiabstractnext several dozens years, around the world, water resources contradiction day by day anxious. our countrys water resources critical shortage, and distributes is not very balanced. the agricultural water occupies the total

3、water used 80%. promotes the automated control in the agricultural irrigation, not only may alleviate the water resources critical shortage the contradiction, simultaneously may enhance the crops the output, reduces the agricultural product the cost. this article introduces a kind of system applied

4、for watering and spraying disinfectants. the system can watering automatically by judging the humidity whether its comfortable to plants in the room and can spraying disinfectants against plant diseases and insect pests. according to meet the need of pouring demand，the system can be adjusted to cont

5、rol the rate and the speed of flow. this system adopts pc to multi-single chip microcomputer serial communication network which tallies with rs-422 standard. it can achieve point to point or point to points corresponding which the jockey can take advantage of to control single chip microcomputer thr

6、ough ibm-pc.keywords:keywords:rs-422 scm serial communicationiii目 录绪 论.10.1 选题背景.10.2 研究目的.10.3 当前形势.1第 1 章 系统方案论证与总体设计 .21.1 方案论证.21.2 系统设计.2第 2 章 系统硬件电路设计.32.1 湿度测量部分.32.1.1 概述.32.1.2 湿度控制的基本原理.32.1.3 感湿特性曲线.42.2 a/d 转换电路设计.92.3 微处理器 at89c51.132.4 流速控制电路设计.162.4.1 数字电位器.162.5 键盘及显示电路设计.202.5.1 软件设

7、计.212.6 串行通信电路设计.222.6.1 简介.222.6.2 端口串行通信接口卡.232.6.3 系统结构.232.6.4 通信协议.23第 3 章 肥料、水选择部分.263.1 施肥系统.263.2 肥料和水的调配方法.26第 4 章 系统软件设计 .274.1 系统总图.27iv4.2 软件设计.27总 结.31致 谢.32参考文献 .33附录 1： .34附录 2： .37附录 3： .411 绪 论0.1 选题背景目前国外设施栽培技术比比较先进的国家已经实现按照作物生长的最适宜生态条件，在现代化温室内实现作物的自动灌溉和自动施肥。而这一节水高效的先进农业技术在我国还属于起步阶

8、段，国内在这方面虽有自主研发的自动浇灌系统,但技术比较简单、落后。目前我国温室中采用的微灌设备几乎都是从农业园林设施发达的欧美国家引进。而国内成套引进的系统成本较高。0.2 研究目的灌溉自动化是发展高效节能农业和园艺的重要手段。由于我国水资源缺乏, 因此实现按需、按期、按量喷灌, 既可节省宝贵的水资源, 也可节省人工费用, 具有较强的实用性。这对于贯彻党中央的 “建设节能型社会 ”的号召非常有利, 有较好的经济效益和社会效益。0.3 当前形势我国现有近 33 万多 hm 2 温室大棚，主要种植各种时令蔬菜、花卉和经济作物，绝大多数采用传统的畦灌，水的利用率只有 40，灌水定额为 4053m 立

9、方米h 平方米。进入 90 年代，我国开始大面积推广节水灌溉技术，先后开发和引进先进国家的温室灌溉设备（主要是滴灌、微灌和与之相配套的设备） ，促进了我国温室大棚节水灌溉设备的生产和应用。大城市郊区已开始大面积推广温室大棚滴灌设备，灌水定额仅为 20 多立方米平方米，节水效果十分明显，增产0.21.0 倍，提高了作物的品质，节省劳力，为发展工厂化农业奠定了基础。2第 1 章 系统方案论证与总体设计1.1 方案论证 本文介绍一套用单片机实现的自动灌溉、自动施肥及营养液浓度自动控制的微灌系统，该系统能够按作物所需灌溉水量、施肥量自动灌溉、施肥及按作物所需营养液浓度自动进行营养液的混合。并且可以通过

10、用户界面输入控制指令、监控系统工作、查询系统信息等。该系统结构简单，价格低廉。1.2 系统设计 现代化微灌系统中农作物所需要养分来自营养液，所以在灌溉过程中不但要根据作物需求灌溉水，还要将是以作物生长的一定浓度的营养液通过灌溉水提供给作物。系统由单片机控制器、灌溉管路、检测系统等几部分组成。 当注水泵 1 运行时，管道 1 中的灌溉水在稳压阀的作用下以恒定压力流动，这样灌溉水量就与灌溉时间成正比。其中大部分灌溉水流经管道 2 流向灌溉水（如微喷头、滴灌器等）完成作物的灌溉。在每个灌溉支路上装有一个电磁阀，当某种作物需要灌溉时，则打开该支路上的控制电磁阀。当混合罐中的水位达到一定数值时，液位控制

11、阀关闭管道 3 与混合罐之间的通道。需要施加营养液时，打开通往混合罐的电磁阀即可。将传感器安装在水泵出水口的好处是经过水泵后水与液肥能够进一步的混合，以提高检测精度。3第 2 章 系统硬件电路设计2.1 湿度测量部分2.1.12.1.1 概述概述湿度是电子、化工、电力、机械制造等行业重要的检测参数 。 由于湿度传感的非线性输出及一致性较差，使湿度的测量方法和手段相对复杂，而且湿度传感器的特性又与温度密切相关，温度变化直接影响传感器参数特性变化，因此湿度测量比其他物理量测量要复杂，控制难度大。目前国内对于湿度大多数设备属于只测不控 ,或采用简单的开关控制，精度低、误差大、能耗高，往往不能满足工艺

12、要求。 针对上述问题，该文设计了一套基于新型单片机 at89c51 为核心器件，高精度的传感器作为检测元件，液晶图形显示作为人机界面，控制算法优良的高精度、低成本自动控制系统。2.1.22.1.2 湿度控制的基本原理湿度控制的基本原理湿度是表示空气中水蒸汽的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。所谓的绝对湿度就是单位体积空气内所含的水蒸汽的质量，也就是指空气中水蒸汽的密度。一般用一立方米空气中水蒸汽的克数表示，即为： vmhva式中， 是待测空气中水蒸汽的质量，v 为待测空气的体积。单位为 g/m 。mv3相对湿度是表示空气中实际所含水蒸汽的分压（pw）和同温度下饱和水蒸汽的分压（

13、pn）的百分比，即为： rhpphtnwt%100*)/(通常，用 rh%表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸汽变化，所以气体中的水蒸汽气压即使相同，其对应的相对湿度也会发生变化。日常生活所说的空气湿度，实际上说的就是相对湿度。湿度高的气体，含水蒸汽越多。若将其气体冷却，即使其中所含水蒸汽量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达 100%，呈饱和状态，再冷却时，蒸汽的一部分凝聚成露，于是我们把这个温度称之为露点温度。即空气在气压不变下为了使其所含水蒸汽达到饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温4度。气温和露点温度的差越小，表示空气越接近饱和。2.1.32.1.3 感湿特

14、性曲线感湿特性曲线感湿特性曲线是指湿敏传感器的感湿特性量随环境湿度的变化曲线。图 21是典型 tio -v o 湿敏传感器的感湿特性曲线，该曲线反映出相应传感器的最佳225使用范围及灵敏度的高低。图 21 典型 tio -v o 湿敏传感器的感湿特性曲线225灵敏度：由于大多数湿敏传感器的感湿特性曲线是非线性的，在不同的湿度范围内具有不同的斜率，故目前多用传感器在不同环境湿度下的湿度特征量之比来表示其灵敏度。a）测湿量程这是指湿敏传感器能够比较精确测量环境湿度的最大范围。b）响应时间当环境湿度改变时，湿度传感器完成吸湿或者脱湿以及动态平衡（感湿特征量达到稳定值）过程所需要的时间，称为响应时间。

15、感湿特征量的变化滞后与环境湿度的变化，这种现象称为滞后现象。实际多采用 63。2%或者 90%响应时间，即感湿特征量的改变量达到总改变量的 63.2%或者 90%所需要的时间。图 2-2 表示出了典型的 k o-fe o 湿敏传感器的响223应特性曲线。106105104相对湿度/ %rh8010060400205图 2-2 表示出了典型的 k o-fe o 湿敏传感器的响应特性曲线223c）温度系数这是指在感湿特征量的条件下，环境相对湿度的变化率。对于相对湿敏传感器而言，单位是%rh/ c。0d）湿滞回差一般情况下，湿敏传感器在吸湿和脱湿过程中的两条曲线不相重合，而是形成一闭合的湿滞回线，如

16、下图 2-3。湿滞回差是指湿滞回线上对应同一感湿特征量值下，环境湿度的最大差值。100110104105106107时间/s6图 2-3 湿滞回差示意图集成湿度传感器集成湿度传感器的测量范围一般可达到 0100%。但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为 10%95%。设计+3.3v 低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用 sht11、sht15 传感器。这种传感器在测量阶段的工作电流为 550a，平均工作电流为 28a（12 位）或 2a（8 位） 。上电时默认为休眠模式（sleep mode） ，电源电流仅为 0.3a（典型值） 。测量完毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功

17、耗降至最低。此外，它们还具有低电压检测功能。当电源电压低于+2.45v0.1v 时，状态寄存器的第 6 位立即更新，使芯片不工作，从而起到了保护作用。湿度传感器的温度系数 湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般0.20.8%rh/范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。

18、多数湿敏元件难以在 40以上正常工作。 相对湿度/ %rh脱湿吸湿10210810020401041067 ih-3605 是一种电容式集成湿敏传感器，主要性能参数如下：v+=5v；t =25ac；精度2%rh（0%到 100%rh） ；互换性5%rh（0%到 60%） ，8%rh（90%rh）典0型值；线性度0.5%rh（典型值） ；迟滞1.2%rh(全量程)；响应时间慢流动空气中为 30s；工作电压范围 4-9v，标定时的工作电压为 5v；工作电流为 200a，工作电压时为 9v 时，工作电流为 2ma；输出电压 5v 工作电压时为 0.8-4v（典型值） ，其他工作电压时，输出电压与工作

19、电压成正比；工作温度范围-40 到+85 c。温度0补偿可按下式计算，即 真实 rh 值=传感器 rh 值/（1.0546-0.00216t） 式子中，t 为环境温度（ c） 。0例如，环境温度为 85 c 时，湿敏传感器输出电压为 3.05v，则其真实的输出电压0值应如下计算，即，真实 rh 值=3.05v/（1.0546-0.00216*85）=4.02v 。出厂时，每个湿敏集成传感器有两个已经标定的数据，即 0%rh 的输出电压值和75%rh 的输出电压值。由于该传感器有极好的线性度，所以可以根据上述两个标定点画出整个湿度特性，如下图 24。使用时可以按这两个点的电压对电路进行检测、调整

20、，不必再对湿度进行标定。图 24 温度系数示意图25 c 时，0%rh=0.958v0 75%rh=3.268v58060相对湿度/ %r出电压8ih-3605 可以直接接 0 到 5v 直流电压表构成制度检测仪表，由于没有湿度补偿，但精度稍差。电路硬件图中的一部分是带温度补偿湿敏电路。在 0%到 100%rh时相应输出 0 到 10v。ih-3605 的输出信号经过集成运放 a 处理，使在 0%rh 时输1出为 0v；25 c 时，100%rh 的输出为 10v。pt100 铂电阻为温度传感器，经过集成0运放 a 放大，输出与温度成比例的信号。pt100、rp 、r

21、 及 r 构成电桥，集成2312运放 a 的输出提供其工作电压，以满足图 25 所示的补偿特性。a 为加法器，13将湿度放大后的信号及温度补偿信号（取自 rp ）相加，其输出电压即是经过温4度补偿的输出电压。湿度测量电路如图 26图 25 温度补偿特性补偿量85 c025 c08060108相对湿度/ %rh061002040249d d d d d d k k k k k 3 k k k 0 k k a c 图 26 湿度测量电路2.2 a/d 转换电路设计双积分式 a/d 转换器常采用动态输出的方法，我们可以通过三态缓冲器把它的输出数据线与 cpu 的数据总线相连接，然后根据动态输出的时序

22、将其逐位读入。mc14433 是 3 1/2 位的双积分式 a/d 转换器，转换速度每秒 110 次，量程为 1.999v 或 199.9mv，以 bcd 码的形式输出，其逻辑符号如图 2-7 所示。10图 2-7 mc14433 的逻辑符号mc14433 的数据信号有：ds1ds4 多路选通脉冲输出，ds1 为千位，ds4 为个位。q0q3 bcd 码输出。-or 过量程标志输出，当|vx|vr 时，-or 为低电平。du 更新转换结果的输出。eoc 转换周期结束标志。与模拟输入有关的信号有：r1，r1c1，c1 外接积分电阻与电容。在量程为 2v 时，r1=470k，c1=0.1f 。量程

23、为 200mv 时，r1=27k，c1=0.1f 。c01，c02 补偿电容，0.1f 。clk0，clk1 时钟振荡器外接电阻、典型值为 470 k，电阻加大，时钟频率降低。vr 基准电压输入端，选 2.0v 或 200mv。vx 被测电压输入端。vag 被测电压，基准电压接地端。vdd，vss，vee 正负电源及接地端。图 2-8 为输出选通脉冲的时序图。11图 2-8 mc14433 输出选通脉冲时序图在 ds1 有效时输出千位数据，ds4 有效时输出个位数据。每个选通脉冲宽度为 18 个时钟周期。两个相邻脉冲之间的间隔为 2 个时钟周期。dsl 有效时输出的千位数据的含义如下：q3 位

24、表示千位，如 q3=1，则千位为0，如 q3=0，则千位为 1。q2 位表示极性，q2=1 表示输入电压为正，反之为负。q0 位=1 时表示超出量程范围，在 q0=1 时为欠量程，q0=0 时为过量程。mc14433 可通过 74ls244 与 cpu 的数据总线相连，其连接方法如图 2-9 所示。12图 2-9 mc14433 接口将 du 与 eoc 相连，这样每次 a/d 转换结束后，数据都被更新。eoc 信号还可作为中断申请信号，在转换结束后申请中断。中断响应后即可读入数据，根据输出选通脉冲的时序，先用查询方法判断是否为 ds1 有效。若是 ds1 有效，则按q0，q2，q3 来决定是

25、否超量程、信号的极性及千位为 1 还是 0。然后等待 ds2 周期，读入百位数的 bcd 码。在 ds3、ds4 周期内分别读入十位和个位的 bcd 码。读入数据的程序流程图如图 2-10 所示。13图 2-10 读入数据的程序流程图2.3 微处理器 at89c51at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位微处理器，俗称单片机。at89c2051 是一种带 2k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反

26、复擦除 100 次。该器件采用 atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51是一种高效微控制器，at89c2051 是它的一种精简版本。at89c 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图 2-11 所示14图 2-11 at89c51 的引脚排列图主要特性： 与 mcs-51 兼容 4k 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 128

27、8 位内部 ram 32 可编程 i/o 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路管脚说明： vcc：供电电压。 gnd：接地。ea/vp31x119x218reset9rd17wr16int012int113t014t115p101p112p123p134p145p156p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen29ale/p30txd11rxd15 p0 口：p0 口为一个 8 位漏

28、级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时，p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p

29、2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收，输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出

30、 4 个ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（记时器 0 外部输入） p3.5 t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制

31、信号。16 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状

32、态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: x

33、tal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.4 流速控制电路设计2.4.12.4.1 数字电位器数字电位器数字电位器也称为数控电位器，是一种用数字信号控制其阻值改变的器件(集成电路)。字电位器与机械式电位器相比，具有可程控改变阻值、耐震动、噪声小、寿命长、抗环境污染等重要优点，因而，已在自动检测与控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等许多重要领域得到成功应用。

34、但是，数字电位器额定阻值误17差大、温度系数大、通频带较窄、滑 动端允许电流小 (一般 13ma)等，这在很大程度上限制了它的应用。数字电位器取消了活动件，是一个半导体集成电路。其优点为：调节精度高；没有噪声，有极长的工作寿命；无机械磨损；数据可读写；具有配置寄存器及数据寄存器；多电平量存储功能，特别适用于音频系统；易于软件控制；体积小，易于装配。它适用于家族影院系统，音频还绕控制，音响功放和有线电视设备等。 设计原理x9241 内部包括一个 i2c 接口和四个数字电位器。每个数字电位器由电阻阵列及与之对应的滑动端计数寄存器 wcr、四个 8 位数据寄存器 r0r3等部分构成。其引脚配置如（附

35、录图 2）所示。a)电阻阵列每个电阻阵列由 63 个串联连接的分立的电阻段组成。每个电阻阵列的物理终端等效于机械电位器的固定端（vh和 vl输入端）。每个阵列的 vh和 vl以及每个电阻段之间的接点（即抽头）通过 fet 开关连接滑动输出端 vw；而滑动端 vw在电阻阵列中的位置由 wcr 控制。如果将四个电阻阵列中的两个、三个或四个串联起来可构成 127、190 或 253 个抽头的数字电位器。 x9241 电位器电阻阵列的阻值种类根据后缀的不同而不同。当分别为 y、w、u 时，则电阻阵列分别为四个2k、四个 10k、四个 50k 的数字电位器；而当为 m 时，其内部四个数字电位器阻值分别为

36、 2k、10k、10k、50k。b)滑动端计数寄存器 wcr滑动端计数寄存器 wcr 实际上是一个 6 位带有译码输出的计数器，用来实现选择六十四选一的 fet 开关的位置，即控制滑动端在电阻阵列中的位置。wcr 是一种易失性存贮器，其内容可通过指令改写，上电时装入数据寄存器 r0的内容（注意：此值可能与断电时的值不同）。c)数据寄存器数据寄存器的内容可由用户读出或写入，其内容可传输到滑动计数寄存器wcr 以设置滑动端的位置。每个数字电位器有四个 8 位非易失性数据寄存器r0r3。d)串行接口18x9241 支持 i2c 串行双向总线的定向规约：实际应用时 x9241 为从器件，由主机启动数据

37、的传输，并为发送和接收操作提供时钟。数据线 sda 和时钟线 scl 的信号间关系（起始条件、终止条件及应答条件）见图 3-1。器件寻址及指令结构a)器件寻址 在起始后，主器件输出它所要访问的从器件地址，该地址的格式如下： 对于 x9241 来说，这个地址的高 4 位固定为：0101，低 4 位由物理的器件地址 a0a3 输入端状态决定。这样，x9241 把串行数据流与地址输入端的状态进行比较，若所有位都比较成功，则该器件在总线上作出一个应答响应。b)指令结构主器件在发送完起始条件及器件地址，且从器件作出应答之后，送到 x9241 的下一个字节包括指令及寄存器指针的信息。其格式如下： 其中低

38、4 位中前两位（r0 和 r1）指出四个寄存器中的一个，后两位（p0 和p1）选择四个电位器中的哪一个；高 4 位决定指令，x9241 共有 9 条指令见（附录表 1） 。9 条指令中包括四条两字节指令，四条三字节指令和一条增加/减少指令。 两字节指令：这四条两字节指令用作在 wcr 与数据寄存器中的一个之间交换数据；这种传输可以发生在四个电位器之一与它们的一个辅助寄存器之间，或全局性地发生在所有四个电位器与它们的一个辅助寄存器之间；操作时序见图 2-12（a） 。 三字节指令：这四条指令是在主机和 x9241 之间传输数据，无论是主机与一个数据寄存器或是主机直接与 wcr 间都可以；这些指令

39、是读、写 wcr（即读出、写入选定电位器的当前滑动端的位置）或读、写数据寄存器（即读出、写入选定的非易失性寄存器的内容） ；操作时序见图 2-12（b） 。 增加/减少指令：这条指令与其它的指令不同，一旦这条指令发出且 x9241已用一个应答来响应后，主机才能够以时钟来触发选定的滑动端升或降一个电阻19段；这个操作的命令时序见图 2-12（c） 。图 2-12 三种时序图电位器的内部金结构图 2-13 是 x9241 与单片微机之间的一种有代表性的连接，在实际应用系统设计中，采用 i2c 总线数字电位器可以收到降低成本、简化电路的效果；然而在数字电位器带来硬件设计简化的同时，却增加了软件的工作

40、量，原因是对其访问需要一套严格而复杂的操作；假如有了接口程序模块，使用 i2c 总线数字电位器就很方便了。为此，本文给出笔者已成功应用的 i2c 总线数字电位器与 mcs 系列单片机的接口程序模块，读者几乎不需改动就可采用;该程序模块略加修改还可用于串行 e2pr0 读写。 x9241sclsdaa3a2a1a0+5v89c51 p1.4p1.520图 2-13、89c51 与 x9241 的典型连接方法在图 2-8 的连接中，单片机的时钟为 6mhz。由于只连接一片 x9241 数字电位器，则地址 a3a2a1a0=0000，故 x9241 的器件地址固定为 50h。调用时将直接位 02h

41、用作滑动端的增减位，命令字节放 30h 单元，要写入的数据放 32h 单元；程序执行结束将读出的数据放 31h 单元。2.5 键盘及显示电路设计以基于单片机的医疗设备控制系统中的键盘显示模块为例，该模块中hd7279a 器件与单片机 at89c52 只有 3 条线相连，如图 4 所示，其中 3 引脚插座j1 是单片机 at89c52 与 hd7279a 的连接线占用单片机的 3 条 i0 端口线：p17clk 是单片机产生的控制同步时钟，p16cs 是 hd7279a 的片选线；p15/data 是命令数据输出输入线。键盘中断线 key 悬空，cs 端由单片机控制是基于省电考虑，也可接地。hd

42、7279a 器件控制 4 个 led 数码管动态显示，并监测 16 键键盘。clk 时钟频率约 100 khz，由单片机编程延时决定。在 clk 的同步时钟作用下，控制命令、显示数据以及采用查询方式读取键盘键值代码数据等均由 data 端输入输出。采用查询方式读取键值代码可节省一条单片机的 i0 端口线，但需占用较多软件资源，由于该实例中单片机的任务并不复杂，因此每间隔 30 ms 读取一次键值代码。 图 4 中 dig4dig7 既是 4 位共阴式数码管位选控制线，又是键盘列扫描线。ssassg,sdp 共 8 条线是 4 位数码管的段选控制线，分别通过 200 的限流电阻与 hd7279a

43、 器件的 sasg，dp 相连接，其中 ssdssg 同时为键盘的行扫描线。排电阻 rx1 是 8lo k 的下拉电阻，不可省去。连接到 hd7279a 器件 rc 端的振荡电路中，电阻 r13=15 k，电容 c2=15 pf 都是必须的，且 r13 在 12 k 的21阻值范同内变化，c2 在 10p20 pf 范围内变化时，该电路均能稳定工作，而在此范围之外有可能导致 led 意外闪烁或响应键盘不灵敏，需要注意的是 r13 与 c2必须尽量靠近 hd7279a 器件的 rc 端放置，以防止相互干扰。cl=100f，为滤波电容，有利于降低 led 大电流工作对电源的冲击。ldlld4 选用

44、 4 位独立共阴式高亮度数码管 led，hd7279a 采用动态扫描方式控制 led 的显示，因此应该将 4 位不显示位全部消隐，进一步提高亮度。为了使 4 位 led 全亮并保证足够的亮度，整个显示模块的工作电流降低到 50 ma，可以将 8 个限流电阻增大到 250270。需要注意的是 hd7279a 不具有双键锁定功能，因此在需要双键锁定功能的应用场合，可利用另外的单片机的 io 线与 hd7279a 器件联合判定 由于 hd7279a 与单片机采用串行接口(最少 2 线)，对键盘的行列监控扫描线与显示控制的位选段选线共用，外围元件少，元件取值范围较宽，工作电流较小，工作稳定可靠，因此接

45、口电路设计简单简洁，操作方便，性价比极高。2.5.12.5.1 软件设计软件设计针对图 4 中的键盘显示模块，给出了图 2-14 所示的软件编程流程图。常规任22务是指单片机应用系统需要执行的其他任务，一次执行时间不超过 20 ms；显示任务是指单片机发送给 hd7279a 器件的显示或控制命令，执行时间不超过 5 ms；键盘一次按下保持时间一般在 60 ms 以上，而定时读取键值代码的时间间隔大约为 30 ms，因此只要合理安排软件执行时序，则常规任务、显示任务和键盘操作就不会产生任何冲突，而且不会漏掉任何一次按键动作。常规任务与显示管理系统初始化有按键?读键值代码键值代码=0ffh?执行按

46、键功能ynyn图 2-14 软件编程流程图2.6 串行通信电路设计2.6.12.6.1 简介简介在数据采集、监控管理及集散控制、尤其是多从机的集散控制等工业过程中，通常都要求集中控制室能够对现场的运行数据进行监测，以使各系统间可以实时、准确、高速地进行通信。而串行通信方式是计算机之间经常使用的一种有效通信手段。由于它具有高效、可靠等特点，同时又遵循统一的标准，因而得到了广泛的应用。 利用通用串行通信接口进行数据通信一般采用 rs232 口来进行。在分布式监测系统中，为了和多处理机进行通信，往往要用到超过 4 个以上的串行通信口，23但一般 pc 机只提供两个 rs232 标准串行通信接口。因此

47、，在集散式计算机监控系统中往往需要使用多端口卡来扩展串行端口数。本文着重研究使用多串行口进行多处理机通信的硬件原理和软件设计方法。2.6.22.6.2 端口串行通信接口卡端口串行通信接口卡 c168p 是 moxa 公司生产的八端口串行通信接口板，它扩展了 8 路串行通信端口，是一个可用于 pcat 总线的多端口的串行通信卡。该通信接口板采用 asic芯片代替传统的 ics 芯片，其传输速度范围可达到 50bps1152bps，同时它还支持 rs232 标准电平信号。它的 8 个端口可以分配给不同的中断向量或同一中断向量。另外，moxa 公司还提供了在 microsoft win32 api

48、函数下开发的 pcomm软件库，该软件库可用于上层多进程或多线程串行通信的软件开发，适用于vb、vc、delphi 等高级语言软件开发环境。由于该串行通信接口板性能优良，使用方便，所以被广泛应用于多端口串行通信中。该卡的具体设置如表 1 所列。 2.6.32.6.3 系统结构系统结构该通信系统采用 89c51 单片机作为下位机，而以工业控制 pc 机作为上位主机。下位机和上位机之间通过 rs232 串行口以半双工方式进行通信。由于rs232 电平的最大通信距离只有 15m，因此远远不能满足工厂实时数据采集对距离的要求。为了实现远程通信，笔者自制了一块可将 rs232c 电平转换成rs485 电

49、平的八路电平转换板，并在单片机端采用了可将 rs485 电平转换成ttl 电平的电平转换芯片 max1483。由于该系统采用了平衡发送和差分接收电路，因而能检测低达 200mv 的电压，从而使最大通信距离可达到 1200m，并在总线上最多可挂接 256 个收发器。该系统的单路通信电路设计结构图如图 1 所示，其它七路与此类同。242.6.42.6.4 通信协议通信协议 在 pc 机与单片机实现编程通信之前，两者之间需要规定握手协议，以保证数据收发的正确性。在本系统中，pc 机与单片机应采用同样格式的通信协议。其协议格式如表 2 所列。 表 2 中 id0、id1 为两个字节地址码，它们的内容相

50、同，代表各从机地址。q为特征字符，表明是否为数据帧。com0 位是主机向从机发送的命令 1。而 com1 位则是主机向从机发送的命令 2。实际上，命令 1 与 2 可以相同。“日”位用于存放日期字节。“数据字节区”用来存放从机回送给主机的数据，该数据共 11 个字节；“月”位用于存放月字节；“年”用来存放年字节；“校和 1”表示从 018求和的结果；而“校和 2”则表示从 019 的求和结果。 2.6.52.6.5 编程方法编程方法 上位 pc 机编程 在 win9x 操作系统提供的串行通信驱动程序的基础上，可利用 windows api函数来实现串行口的编程。但在本系统中，可用 vc60 作

51、为编程环境，并利用 moxa 公司提供的 pcomm 软件库来实现串口数据的采集。它把 win32 api 封装在自己的软件包内，因而可简化编程步骤，并缩短编程时间。pcomm 对串口进行编程通信通常涉及下面的四个处理过程： （1）打开一个要通信的串行端口； （2）配置串口；25 （3）通过串口收发数据； （4）释放串口。 其函数形式如下： (1) sio_open(plrt);(2)sio_ioctl(port,b38400,p_nonebit_8stop_1); /*port control*/(3)sio_write(port,“abcde”,5); /* output data fun

52、ction*/ sio_read(port,ibuf,length); /* input data function*/(4)sio_close(port); /*port control,disable the port*/下位89c51的串行通信编程由于89c51串行口共有四种工作方式，而多处理机通信必须工作在方式2或方式3，方式2的波特率为fosc64或fosc32，而方式3的波特率则可以变化。在89c51利用串行控制寄存器scon中的sm2和rb8来实现多机通信时，首先应使下位机开串行中断并设定所有下位机的sm2位为1，而上位机则发送rb8为1的地址帧，这样，所有的89c51都会响应并

53、进入串行中断服务程序，同时在中断服务程序中与本机地址进行比较，如果是上位机所选择的地址，此地址的下位机则置sm2为0，如果不是上位机所选择的地址，则退出中断，以使sm2继续为1。然后再由上位机发送rb8为0的数据命令帧，以使sm2为0的89c51发生响应，并将上位机所需的数据发送给上位机。以此来实现pc机利用多端口对多处理机的串行通信。第 3 章 肥料、水选择部分3.1 施肥系统1. 实际施肥系统原理如图3-1所示。26图3-1 施肥系统原理图由图4-1可见，流量控制系统由清水泵、主阀、施肥阀、泄水阀等受控设备及过滤器、管道等辅助设备组成。图中，肥料的浓度值已为配制好的最终肥料浓度。3.2 肥

54、料和水的调配方法通常情况下控制肥料、睡有两种方法。第一种是简单地肥料、清水凭经验直接注入温室，这种方法劳动强度大，且控制效果基本上依靠配肥者的经验，误差较大。另一种是采用电磁阀控制清水和肥料流量。电磁阀属于双位控制阀门，只有开和关两种极限状态，通过大棚内肥料浓度传感器和湿度传感器来控制电磁阀的开关。其优点是控制精度较高，成本低，容易实现，基本符合温室需要，比较理想。 药液到喷头压力泵（由继电开关控制）继电开关（常通）继电开关(常闭)水27第 4 章 系统软件设计4.1 系统总图系统初始化温度设定？湿度设定？湿度采样数字滤波温度采样等于温控值？加热器停止工作数字滤波等于湿控值？显示当前温湿度值加

55、湿器停止工作湿控及上、下限值温控及上、下限值超出范围？加热器维持原态控制加热器状态语音报警超出范围？控制加湿器状态加湿器维持原点语音报警yynnnynyynn4.2 软件设计 现代控制系统的用户界面趋向于图形化 、多媒体化。 实时过程中的测控据经28处理后以各种形式提供给用户，形象直观。 笔者分析系统工艺后，根据控制要求 ,设计了多个画面，并通过按键切换。 系统的总控模块程序框图如图6-2所示 。单片机除完成图中 所示的前台显示外,还要进行后台作业 ,即实时数据采集处理和控制任务 。6-2 系统总控模块程序框图系统总控入口端口初始化定时器初始化屏幕初始化显示主菜单按键处理中文主界湿度显示温度显

56、示湿度设定湿度趋势英文主界29图 6-3 pc 机的串行通讯程序流程图开始接收所有数据直至结束标志发取数命令置偶效验“0”置奇效验“1”送地址给 mcs-51 机初始化串行口设置波特率所有从机巡回完？有回答？结束ynyn30图 6-4 单片机的串行通讯程序流程图总 结自动灌溉系统在国内还处于研发阶段，自动化程度较低 , 智能型控制器的应开始初始化串行口，设置波特率将 sm 置 1，等待接收地址是本地址？p1.0 置将地址送回 pc 机置等待接收命令传数命令？将数据按字节传给 pc 机结束ny31用还很少。本文介绍的模糊自动灌溉及施肥控制系统设计合理，结构简单，使用方便。由于用开关式电磁阀代替价

57、格较为昂贵的流量控制阀，不仅能够显著地降低了多种施加物灌溉系统的成本，而且还能够简化驱动电路及控制电路，使系统的可靠性及维护的方便性得到改善。实验结果表明，本系统工作可靠，控制精度能够满足农艺要求，对于灌溉系统中的自动施肥系统设计具有参考价值。32致 谢经历了两个月的毕业设计，在这短暂的时间里，它不仅仅使我学到了宝贵的专业知识，更重要的是它使我学到了怎样去独立思考问题，解决问题，大大提高了我自己的动手能力和操作能力，为我今后的工作奠定坚实的基础。这次们设计的课题为大棚自动喷灌系统的设计，它不仅是必须完成的课目，其真正的目的是我对整个大学四年的学习情况做一个总结，检验学生的专业知识的掌握程度。可

58、以说这绝对是一个展望自我，实现自我价值的好机会。在这次毕业设计中，我特别感谢我的指导的耐心帮助和各位同学大力支持。在这次编写设计报告中，由于时间的紧促和编写者的专业知识的有限，再加上我们缺少实践经验，对使得所写的毕业论文的知识覆盖面有很大的局限性，而且报告中难免有不妥之处，所以我恳请各位指导老师能够给予批评指正。33参考文献1我国灌溉农业的现状与发展趋势 内蒙古林学院学报 ,2009 2中国灌排水技术开发培训中心.渠道防渗工程技术， 2007 3单片机应用技术选编 北京航空航天大学，20064生产与运作管理 清华大学出版社, 20035 信息系统开发方法 方法 、策略 、技术 、工具与发展 清

59、华大学出版社，20076灌区井群自动化控制系统研究 华北水利水电学院学报，20047单片机应用技术选编北京航空航天大学，20018 gamma e, helm r, et al. design patterns: elements of reusable object2oriented software m . addison wesley professional, 20049 metsker s j. design patterns in c#m . 颜炯,译. 北京:中国电力出版社, 2005.34附录附录 1 1：大棚喷灌系统设计管脚图清单大棚喷灌系统设计管脚图清单图 1、mc3487

60、 和 mc3486 的管脚图和功能表mc3487mc3486图 2、x9421 的管脚图输出输入（a）使能（en）yzhhhllhlhxlzz差分输入 a-b使能输入v0.2vidhh-0.2vv0.2vidh？v-0.2vidhlxlz35其中 vw0、vw1、vw2及 vw3分别为四个电位器的滑动端；vl0、vl1、vl2及 vl3分别为四个电位器的低端；vh0、vh1、vh2及 vh3分别为四个电位器的高端；a0、a1、a2及a3为地址线（用来设置从属地址低 4 位） ；sda 及 scl 分别为串行数据和串行时钟；vcc及 vss分别为电源和地。表 1、x9241 指令指 令i3i2i